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光模块——化学镍钯金(ENEPIG)金手指工艺的可行性研究

浏览:90 发表时间:2019-08-12 15:02:26

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前  沿

化学镍钯金ENEPIG是常见的一种表面处理类型,与传统的化学镍金表面处理工艺不同的是在镍层与金层间引入了一层钯,能有效地阻止镍向金层的迁移,因此具有良好的打线性能[1],耐老化性能。

金属钯属于铂系元素,化学性质稳定,具有耐酸、耐氧化的性能,同时金属钯的硬度大于硬金(含钴),具有较好的耐插拔性能。化学镍钯金工艺引入了金属钯在PCB中的应用,当ENEPIG镀层中的钯层的厚度足够时,即厚钯薄金的ENEPIG表面处理,具有较好的耐插拔性能。

微型封装插拔板(Small Form Pluggable,行业中简称SFP板)主要应用在通讯设备中的光模块上(将电信号转换成光信号),其外观见下图1所示,这种板同时具备以下特征:1. 金手指为长短金手指或分段金手指;2.金手指需使用电镀硬金工艺。随着光模块向高速率传输发展和云计算中心的兴起,10G及以上多路光模块需要同时满足焊接及打线性能的需求。对于需要邦定以及插拔的光模块产品,传统工艺流程采用水金(焊接)+局部软金(邦定)+金手指硬金镍钯金(焊接+邦定)+金手指硬金,流程过于复杂,且产品合格率较低。

综合考虑到镍钯金的钯的耐插拔性能以及高速光模块产品的需求,由SFF Committee[2]拟定的《SFF-8436 Specification for QSFP + 10 Gbs 4X PLUGGABLE TRANSCEIVER》标准中规定了镍钯金表面处理作为金手指工艺的要求:镍钯金的钯厚≥0.3μm、金厚≥0.03μm;支持这些标准的包括了光模块行业主流企业,如AmphenolAvagoJDS UniphaseOpNext等。根据这一标准的规定,可将厚钯薄金(钯厚≥0.3μm,金厚≥0.05μm)工艺应用于高速光模块产品,焊接、邦定、金手指区域都使用厚钯薄金工艺,同时满足邦定、焊接、插拔性能的需求,简化PCB的生产流程以及降低成本。为了验证此工艺的可行性,本文主要围绕产品的耐插拔、耐腐蚀性、可焊性等性能,将ENEPIG金手指工艺与传统的电镀硬金金手指工艺进行对比研究,综合评估了化学镍钯金金手指工艺的可行性。


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实验部分

2.1 测试样品

厚钯薄金” ENEPIG金手指与电硬金金手指的镀层厚度,由X-ray镀层测厚仪测得的结果如下表1所示,厚钯薄金的镀层厚度的平均值为:Au 0.061μmPd 0.347μm,硬金工艺为:Au 0.388μm


2.2 测试仪器

插拔连接器、KNS全自动打线机、Dage 4000拉力剪切力测试仪、盐雾试验箱、扫描电镜、能谱仪、金相显微镜、立体显微镜、微电阻计、高低温湿热试验箱、锡炉。


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结果与讨论

3.1 浸锡试验

厚钯薄金样品进行浸锡试验,浸锡试验条件:焊料:Sn96.5Ag3.0Cu0.5;焊接温度:255;焊接时间:3±0.5s;助焊剂:二号标准助焊剂(松香:25%,异丙醇:74.61%,二乙胺盐酸盐:0.39%),结果如下图2所示。厚钯薄金样品进行浸锡试验后,焊盘均上锡饱满,无缩锡等缺陷。


3.2 浸锡后样品的IMC观察

对浸锡后的厚钯薄金样品的IMC进行观察,结果如下图3所示,厚钯薄金样品的IMC进行观察,镍层与焊料之间形成了良好的IMC层,IMC层连续且均匀,说明上锡的位置焊接良好,厚钯薄金具有良好的可焊性。


3.3 邦定性能的评估

采用标准球楔焊以及BSOB模式进行打金线(直径1mil)测试,打线成功率为100%,无翘线等缺陷,效果图如下图4所示;并进行邦定焊点剪切力测试和金线拉力测试。

 厚钯薄金样品邦定合格率为100%,金球推力平均值为55.41g;距离楔焊1/3处进行金线拉力平均值为3.93g,最小值为3.51g厚钯薄金有良好的邦定性能。


3.4 耐插拔、耐腐蚀、耐老化测试的评估

3.4.1 耐插拔测试

使用插拔连接器对厚钯薄金与电镀硬金金手指进行插拔测试,手动插拔500次。使用立体显微镜观察金手指外观,如下图5所示,插拔测试后厚钯薄金金手指金面有一条银灰色的痕迹,元素分析结果为:AuPdNi,其中AuPd的原子百分比为49.39%45.60%,以及微量的Ni元素,因此,插拔后给金手指金面造成的银灰色划痕表面主要为AuPd;插拔测试后电镀硬金金手指金面有一条较浅的银灰色痕迹,元素分析的结果为: AuNi,其中Au的原子百分比为94.99%,插拔后给金手指金面造成的银灰色划痕表面为Au。两者插拔测试前的接触电阻分别为:6.265.59 mΩ,插拔测试后的接触电阻值分别为:13.378.09mΩ,插拔测试前后接触电阻的变化值均小于10 mΩ厚钯薄金金手指具有较好的耐插拔性能。


3.4.2 耐腐蚀测试

对插拔测试500次后的金手指进行48h盐雾试验,评价两种工艺的金手指的耐腐蚀性能。测试条件:盐溶液成分:50g/LNaCl溶液;测试温度:35;压力桶温度:47pH值:6.57.2(25);放置角度:试样与垂直方向呈15度角;盐雾沉降率:1.02.0 mL/80cm2·h48h后的试验结果如下图6所示,两种工艺的金手指500次插拔测试后经48h盐雾试验均未出现镀层腐蚀情况。厚钯薄金金手指具有较好的耐腐蚀性能。


3.4.3 耐老化测试

对两种金手指工艺分别进行如下测试步骤,测试结果如下表4所示:

测试接触电阻1→手动插拔20测试接触电阻2→96h盐雾试验测试接触电阻3

测试接触电阻1→手动插拔20测试接触电阻2→240h高温高湿(85%RH85℃测试接触电阻3

经过96h240h高温高湿(85%RH85℃)条件老化后的两种工艺的金手指,接触电阻变化值均小于10mΩ厚钯薄金金手指具有较好的耐老化性能。


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结  论

1.ENEPIG金手指工艺应用于邦定类产品时,生产流程简单,金手指四面包金,且邦定焊盘间距能力强;较传统电镀硬金金手指工艺成本低;

2.ENEPIG厚钯薄金)具有良好的可焊性,上锡饱满,且IMC均匀连续;

3.ENEPIG厚钯薄金)具有良好的邦定性能,邦定合格率100%,金球球推力>25g,金线拉力(距离楔焊端1/3处)>3g

4.ENEPIG金手指具有良好的耐插拔、耐腐蚀、耐老化的性能,各性能与电镀硬金相近;

5.ENEPIG可以简化生产流程,同时可满足邦定、焊接、插拔的需求,其性能接近传统的电镀硬金工艺。因此,ENEPIG金手指工艺具有可行性。




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